Construction of a unified model on membrane traffic around the Golgi
| Project/Area Number |
23H00382
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 44:Biology at cellular to organismal levels, and related fields
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
中野 明彦 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 副チームリーダー (90142140)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
戸島 拓郎 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 上級研究員 (00373332)
伊藤 容子 お茶の水女子大学, ヒューマンライフサイエンス研究所, 特任助教 (10733016)
黒川 量雄 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, 専任研究員 (40333504)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥47,580,000 (Direct Cost: ¥36,600,000、Indirect Cost: ¥10,980,000)
Fiscal Year 2024: ¥18,330,000 (Direct Cost: ¥14,100,000、Indirect Cost: ¥4,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥20,150,000 (Direct Cost: ¥15,500,000、Indirect Cost: ¥4,650,000)
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| Keywords | 膜交通 / ゴルジ体 / 選別輸送 |
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| Outline of Research at the Start |
膜交通のメカニズムの理解は、超解像ライブイメージングの最先端技術によって大きく刷新されつつある。我々が開発したきわめて時空間分解能の高い顕微鏡技術は、生細胞内を自由自在に動き回る微小オルガネラや輸送小胞の4次元追跡を可能にし、従来のパラダイムを大きく変えた。とくに、選別輸送のハブに位置するゴルジ体とその隣接区画の役割は、予想をはるかに超えてダイナミックなものであることがわかってきた。これらのオルガネラの細胞内体制は、酵母、動物、植物の細胞で、一見大きく異なっているが、そこには驚くべき共通点が存在する。その相互比較から根源的な原理を抽出し、真核細胞の膜交通の統合モデルを構築する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々が開発した高速超解像顕微鏡技術（Super-resolution Confocal Live Imaging Microscopy, SCLIM）を駆使し、動物細胞、植物細胞、酵母細胞における膜交通を可視化して、ゴルジ体とその隣接区画・関連区画におけるタンパク質選別のメカニズムの解明を進めた。本年度は、酵母のエンドサイトーシスの最初の区画が前期トランスゴルジ網であること（eLife 2023）、また小胞体―ゴルジ体中間区画が存在すること（eLife 2024）を世界で初めて示し、動物細胞や植物細胞との比較により真核生物共通のメカニズムを提唱した。また、ヒトの消化管間質腫瘍の原因が、変異KITチロシンキナーゼがトランスゴルジ網に停留して一群のシグナル伝達因子を活性化するためであることを明らかにし（Cell Reports 2023）、超解像ライブイメージングの医学応用の威力を示した。大阪大学やお茶の水女子大学との共同研究でもSCLIM技術を駆使し、ヒト細胞におけるゴルジ体ユニットの存在（Nature Communications in press）や植物細胞の小胞体―ゴルジ体中間区画の機能等に関する新規の事実を次々に明らかにしている。
SCLIM技術の開発も精力的に続けた。新規に完成したSCLIM2Mモデルでは、冷却型イメージインテンシファイアによる高S/Nのシグナル増倍により単一光子計測とノイズ除去を実現し、新たに開発した誤差評価を含んだ構造再構築アルゴリズムによって、空間で70-100 nm、時間で20立体／秒という高い分解能を達成し、国際的に大きな注目を得ている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
SCLIM顕微鏡技術により、これまで誰も見たことのないきわめて高い時空間分解能で、膜交通における選別輸送の過程を観察できるようになりつつある。3色完全同時の高速超解像4D計測により、たとえば動物細胞のトランスゴルジ網（TGN）における輸送キャリアの形成時に異なる積み荷タンパク質を同時に観察し、目的地の異なる積み荷がどの時点でどのように選別されているか等について、驚くべき現象を続々に発見している。世界随一のイメージング技術を駆使することの威力により、これまで漠然と想像するしか術がなかった選別過程を明確に可視化し、多くの謎に包まれていた分子機構が解明しつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
2024年4月に、研究分担者であった理研の黒川量雄専任研究員が急逝した。大変残念なことであるが、彼が進めていた酵母膜交通に関する研究は、中野と戸島で責任をもって進めていく。また、2024年度一杯で、代表中野の所属チームが終了となる予定で、次年度以降、メンバー異動の可能性がある。計画通りに研究が推進できるよう最大限の努力を行う予定である。
SCLIM顕微鏡は引き続き理研で管理され、その利用には問題がない。メンバーの異動後も、動物細胞、植物細胞、酵母細胞での膜交通ライブイメージングを通じて、真核生物に共通する統合モデルの完成を目指していく。
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Report
(2 results)
Research Products
(60 results)
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[Journal Article] Dynamic movement of the Golgi unit and its glycosylation enzyme zones2024
Author(s)
A Harada, M Kunii, K Kurokawa, T Sumi, S Kanda, Y Zhang, S Nadanaka, K M Hirosawa, K Tokunaga, T Tojima, M Taniguchi, K Moriwaki, S Yoshimura, M-Yamamoto Hino, S Goto, T Katagiri, S Kume, M Hayashi-Nishino, M Nakano, E Miyoshi, K G N Suzuki, H Kitagawa, and A Nakano
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Journal Title
Nature Communications
Volume: 印刷中
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[Presentation] ER-to-Golgi trafficking via an intermediate cis-Golgi tubular network in Arabidopsis2023
Author(s)
Louise Fougere, Magali Grison, Yoko Ito, Patricia Laquel, Matheus Montrazi, Fabrice Cordelieres, Monica Fernandez Monreal, Christel Poujol, Tomohiro Uemura, Akihiko Nakano, Yohann Boutte
Organizer
International Research Network France-Japan Frontiers in Plant Biology Symposium 2023
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